加减法去噪技术压制线性干扰——以鄂尔多斯黄土塬地震资料为例

引用本文

杨城增, 冯永强, 童庆佳, 王祥春. 加减法去噪技术压制线性干扰——以鄂尔多斯黄土塬地震资料为例[J]. 物探与化探, 2015,39(4): 830-836.
YANG Cheng-Zeng, FENG Yong-Qiang, TONG Qing-Jia, WANG Xiang-Chun. The addition-subtraction method for removing linear noise:A case study of the seismic data in Ordos loess plateau[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(4): 830-836. 复制到剪切板

Doi:10.11720/wtyht.2015.4.28
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加减法去噪技术压制线性干扰——以鄂尔多斯黄土塬地震资料为例

杨城增¹, 冯永强¹, 童庆佳², 王祥春³

1.中石化华北分公司勘探开发研究院,河南郑州 450006

2.东方地球物理公司研究院,陕西西安 710021

3.中国地质大学(北京) 地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室,北京 100083

作者简介: 杨城增(1986-),男,工程师,从事地震资料处理的生产和研究工作。

收稿日期: 2014-10-16

摘要

由于鄂尔多斯黄土塬探区的地貌特点和表层复杂的地震地质条件,所采集的地震资料存在很强的多组线性干扰波,要消除这些线性干扰,提高地震信号的信噪比是地震资料处理中的一个重要环节。笔者主要针对该区原始地震资料中存在的各类线性干扰波、多组面波等波场进行分析研究,基于线性干扰波的线性特性、倾角特性和相干性,采用加减法去噪技术进行压制。与 f-k倾角滤波处理结果对比分析表明,加减法是压制线性干扰能力很强的一种高保真方法,提高了处理质量,效果显著。

关键词: 黄土塬; 线性干扰; f-k倾角滤波; 加减法

中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)04-0830-07

The addition-subtraction method for removing linear noise:A case study of the seismic data in Ordos loess plateau

YANG Cheng-Zeng¹, FENG Yong-Qiang¹, TONG Qing-Jia², WANG Xiang-Chun³

1.Exploration and Development Research Institute,North China Branch of SINOPEC,Zhengzhou 450006,China

2.Research Institute of BGP,Xi'an 710021,China

3.Key Laboratory of Geo-detection,Ministry of Education,China University of Geosciences,Beijing 100083,China

Abstract

Because of the topography characteristics and the complicated surface seismic geological conditions of the exploration area in Ordos Loess Plateau,the seismic data acquired have strong multiple sets of linear noise.The elimination of the linear noise and the improvement of SNR of seismic signal is one of the key problems in seismic data processing.In this paper,the authors conducted a comprehensive analysis and study of all types of linear noise as well as the multiple sets of surface waves.Based on the linear noise's linear characteristics,dip features and coherence properties, the authors used the addition-subtraction method to remove the linear noise.A comparative analysis shows that this means is a high-fidelity method that has a strong capability for suppressing linear noise and improving the quality of data processing,thus showing a significant effect.

Keyword: loess plateau; linear noise; f-k dip filter; addition-subtraction method

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在地震资料处理中, 对数据的净化去噪处理是一个很重要的环节。地震资料中存在各种类型的干扰波, 尤其是各类线性干扰波, 对地震数据处理剖面效果影响很大, 所以, 在叠前必须对数据进行压制噪声处理。在鄂尔多斯盆地南部的地震数据采集中, 普遍存在低频线性干扰波, 这严重影响单炮记录质量, 如果解决不好会对后续处理产生很大的影响, 严重时会造成叠加剖面上出现断面假象。因此, 必须去除线性干扰, 提高资料处理质量。

随着地震勘探由构造向岩性勘探不断深入, 地震保幅处理要求越来越高, 地震处理中压制各种干扰也变得尤为重要。而地震勘探技术的进步, 使压制噪声的方法多种多样, 尤其是针对线性干扰的压制更是在不断更新, 如f-k滤波、双向预测法、自动追踪SVD法、噪声减去法、τ -p变换法、均衡干扰能量法等^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}, 其方法基于t-x和f-k域。尽管这些压制线性干扰的方法趋于成熟, 但仍存在三个技术问题:①信噪分离能力不足; ②压制线性干扰的能力不足; ③存在折叠噪声、混波和挂面条带异常等负效应。因此, 在地震资料处理中, 这些方法的应用受到了限制。笔者依据线性干扰的相干特征, 采用加减法压制技术, 较好地解决了黄土塬区地震勘探的线性干扰问题, 为后续的精细地震成像奠定了基础。

1 原始资料概况

鄂尔多斯盆地南部探区位于黄土塬地区, 地形极其复杂, 沟壑纵横, 地表起伏异常剧烈, 地表高程在900~1 750 m之间变化, 局部高差在几十米到上百米; 其次, 该区黄土覆盖厚、植被密集, 水系较为发育。这些地表条件给地震勘探的资料采集造成很大困难, 也对资料品质产生较大影响(图1), 为鄂南工区地震资料的处理带来了静校正、多次波、线性干扰以及振幅一致性等一系列难题。

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	图1 塬(左)、坡(中)、沟(右)的高程曲线以及原始地震记录

地震勘探所采集到的数据中包含有各类噪声和有效信号。噪声大体可以归纳为两类:随机噪声和相干噪声。相干噪声包括线性干扰、交混回响和多次波, 陆地地震资料的相干噪声主要有多次折射、线性干扰、面波等^{[9, 10, 11, 12]}。由于鄂南探区存在的复杂地表条件、低降速层的垂向厚度变化、横向速度变化异常, 导致地震波在地下传播时会形成相当复杂的地震波场; 潜水面和高速层之间的速度界面或波阻抗界面产生了多种类型的地震波, 如直达波、深浅层折射波、深浅层多次折射波、多组面波、反射波等^{[8, 9, 10, 11, 12, 13]}。图2是针对鄂南黄土塬典型的地震单炮记录所进行的地震波类型分析, 图中①为深层折射, ②为深层多次折射, ③为浅层折射, ④为浅层多次折射, 阴影区域为面波发育区。

由于该区资料线性干扰特别发育, 影响地震资料的信噪比、分辨率和叠加效果, 所以, 在地震资料处理中必须要采取有效手段压制线性干扰, 为后续地震处理提供较好的叠前道集数据^{[14, 15, 16, 17]}。笔者针对鄂尔多斯黄土塬区地震资料所采用的加减法是目前地震资料处理中压制线性斜干扰行之有效的手段之一。

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	图2 线性干扰波场分析

2 原理

2.1 f-k去噪方法存在的问题

在黄土塬地震资料处理中, 去除线性干扰常用的方法是f-k倾角滤波法, 其思路是依据t-x域相干线性同相轴倾角差异, 在频率波数f-k域将它们分开, 通过f-k滤波从资料中去除那些干扰能量^[10]。但在实际地震资料处理中存在一些弊端, 比如傅氏变换的常规应用会产生折叠噪声、空间假频, 这些都会造成f-k域倾角滤波的效果不理想; 同时, f-k倾角滤波在叠加剖面上会产生混波, 在炮集上会出现挂“ 面条带” 现象等(图3)。

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	图3 原始道集(左)与f-k倾角滤波(右)产生的挂“ 面条带” 现象

2.2 加减法的基本原理

依据线性干扰产生机理和惠更斯原理, 线性干扰具有很强的相干性。加减法主要是利用它的这一特点, 通过在地震道集上作互相关分析, 提取地震资料中相干性好的信号道, 将此信号道从原始资料中作加减, 得到无损有效反射、相对保幅的信息, 使信噪比大幅度提高^[18]。该方法是分两步实现的, 具体过程如下。

(1)在原始炮记录上, 给定道宽和时窗长度, 沿着倾角范围, 依次计算时窗内所有道的平均互相关, 拾取相干值高于门限值的波形, 作为输出“ 子波” , 计算互相关的公式为

$\begin{matrix} γ_{x_{i} y_{j}} (τ) = \overset{M}{\sum_{i \neq j}} \frac{1}{N} \overset{N}{\sum_{n = 1}} x_{i, n + τ} y_{j, n}, (1) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} γ_{x_{i} y_{j}} \end{matrix}$ (τ )为互相关值, τ 为延迟时, M为道宽, N为时窗样点数, x、y为两个地震信号道, i、j分别是地震信号道x、y的采样点。垂向移动时窗, 依次计算

窗口内所有道、所有样点的相关值, 提取相关值大的信号, 得到整个输入道的相干信号分量。

(2)从原始数据中减去提取的相干信号, 计算公式为

$\begin{matrix} f_{out} (x, t) = (1 - | w_{t} |) \times A_{in} (x, t) + w_{t} \times B_{ext} (x, t), (2) \end{matrix}$

式中:A_in(x, t)为输入原始地震信号道, B_ext(x, t)为提取的相干信号道, f_out(x, t)为输出的地震信号, w_t为权重系数。

假如原始地震信号由线性干扰和剩余信号组成, 依据式(2)进行计算, 得到输出地震信号中包含线性干扰和剩余信号的比例随权重系数的变化(图4)。由图4可以看出:当w_t=0时, 输出地震信号包含了所有的线性噪声和所有的剩余信号, 即输出地震信号就是原始地震信号; 当w_t=-0.5时, 输出地震信号仅含有50%的剩余信号, 不包含线性干扰能量, 相干线性噪声去除的效果最好, 此时为最佳参数。

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	图4 输出地震信号的比例随权重系数的变化

3 应用实例

在地震资料处理中, 加减法在叠前去噪中得到了广泛应用。以鄂南某黄土塬工区的地震资料处理为例, 分析加减法和常规f-k倾角滤波压制线性干扰的有效性。

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	图5 加减法和f-k方法压制线性干扰波效果对比分析

图5为加减法和f-k方法压制线性干扰波效果对比。从输出道集看, 两种方法都提高了道集的信噪比, 而加减法比f-k倾角滤波去除的线性噪声更干净、更彻底, 潜水面折射和多次折射得到了更好地衰减, 突出了有效反射。图6给出了两种方法对塬、坡、沟炮记录道集的处理效果对比。这是在塬、坡、沟地表条件下单炮的一个排列, 从横向上看, 加减法对信噪比的改善更加明显; 纵向上, 加减法对塬、坡、沟资料信噪比的改善程度依次增强。

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	图6 f-k倾角滤波及加减法对塬、坡、沟道集数据的处理效果对比

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	图7 加减法和f-k方法去噪效果频谱分析对比

图7是两种方法的去噪效果频谱分析。由图7的频谱图看出, 黑色圈表示线性干扰在f-k谱的呈现, 原始道集的线性干扰十分严重, f-k倾角滤波后的道集残留部分线性干扰, 而加减法对线性干扰的去除效果更佳, 几乎无残留。

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	图8 加减法和f-k方法去噪后的叠加剖面对比

由叠加剖面(图8)可以看出。采用f-k滤波方法去噪后, 叠加剖面还残存有比较强的线性干扰影子和假频; 采用加减法压制线性干扰的叠加剖面效果有了明显的改善, 有效反射波组连续性变好。

4 结论

(1)对比两种方法的叠前道集、道集信噪比、f-k谱和叠加剖面可知, 加减法对黄土塬线性干扰的去除效果明显优于f-k倾角滤波法。

(2)由信噪比的改善效果分析可知, 加减法对鄂南工区沟底的资料提升效果最明显, 其次是半坡的地震数据对塬上资料的改善程度最弱, 加减法的去噪效果改善程度与原始资料的信噪比高低有关。

(3)由叠加剖面分析可知, 加减法对黄土塬资料2 s以上的记录改善最明显, 深层资料效果不明显, 这个结论与线性干扰在地震记录上的发育区有关。

(4)依据加减法的去噪原理, 去除了具有较强相干性的线性干扰, 得到没有损害有效反射的地震资料, 改善了地震资料的处理质量, 保证了地震资料的叠加效果, 做到了相对保真、保幅, 满足地震资料的处理和解释要求。

致谢:衷心感谢金东民、陈振忠等各位老师的指导和帮助, 一并致谢提供宝贵资料和意见的同事们。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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詹毅, 赵波. 自动追踪SVD压制线性干扰方法的改进[J]. 石油地球物理勘探, 2008, 43(2): 158-160.

在压制线性干扰的常规去噪处理中，常常是对每一个计算区域或者计算样点都进行去噪处理，而没有考虑到该计算区域或者计算样点本身是否存在线性干扰，从而会造成有效信号的损失，影响去噪效果。本文以参考文献［1］提出的压制线性干扰的方法为基础，根据线性干扰相邻道相关性很强，而有效信号相邻道相关性较弱的特点，提出了一种判断计算样点是否存在线性干扰的协方差度量方法。该法根据某一样点不同方向求得的协方差度量值Cc的大小，判断某个方向是否进行去噪处理。通过模型试验和实际资料的试算表明：加了这种判断方法之后，不仅能更好提高有效信号保真度，而且能提高去噪效率。

... -p变换法、均衡干扰能量法等^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]},其方法基于t-x和f-k域 ...

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甘其刚, 彭大钧. 叠前时空域线性干扰的衰减及应用[J]. 石油物探, 2004, 43(2): 123-125.

针对叠前地震数据中的线性干扰噪声,首先分析和识别出各组线性干扰波的频带范围及视速度范围,并通过分频处理从地震记录中自动分离出线性干扰所在频带范围的信号分量,然后采用线性干扰视速度扫描和空间域噪音剔除法迭代求解线性相干噪声,从原始记录中将其剔除或减掉,线性干扰频带范围之外的地震信号不会有任何改变.合成数据和实际地震数据处理结果表明,该方法适合于叠前2D/3D地震记录中各种线性相干噪声的处理,对地震信号具有良好的振幅保真性.

... -p变换法、均衡干扰能量法等^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]},其方法基于t-x和f-k域 ...

1995

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齐莉. 用均衡干扰能量法压制线性干扰[J]. 石油地球物理勘探, 1995, 30(5): 711-716.

f-k filtering for linear noise removal is one of usual methods for removing noisein seismic data processing.However,the ill use of f-k filtering will result in de-structive effect,namely,causing new linear noises in the seismic section whose o-riginal linear noise has been reduced.The reason why the new noises appear liesthat the oversuppression of original noises in f-k domain makes noise energy unbal-anced.A high S/N ratio seismic section without linear noise and its f-k spectrumare taken as examples to show the difference between full suppression of noise ener-gy and partial suppression of noise energy.It can be easy seen that neither strongnoise belt nor zero noise belt occurs in the f-k spectrum of the former case.Accord-ingly,the conception of noise energy equilibrium is advanced to remove linear nois-es,receiving quite good effect.

用f-k滤波消除地震剖面的线性干扰,是地震资料处理最常用的去噪手段之一,如果应用不当则会产生负面效应,使去噪后的剖面产生新的线性干扰.究其原因,主要由于在f-k域内过分压制干扰能量,使干扰波能量之间不均衡所致.本文以一高信噪比无线性干扰的剖面和它的f-k谱为例,说明完全压制干扰能量与部分压制干扰能量的区别.从中不难发现,在前者的f-k谱上,既无明显的强干扰能量带,也无干扰为零的区域,据此提出"噪音能量均衡"的概念.应用平衡噪音能量的方法去除线性干扰,可获得较好的效果.

... -p变换法、均衡干扰能量法等^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]},其方法基于t-x和f-k域 ...

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曾波, 赵旭. 噪音减去法压制线性干扰[J]. 油气地球物理, 2010, 8(3): 12-15.

摘　要：线性干扰是野外原始地震记录中一种常见的强能量干扰波。本文以实际地震资料处理工作为基础,采用F—K域滤波方法提取记录噪音初始模型,根据原始记录与噪音模型的差值结果对原始噪音模型进行加权处理,使合成噪音更加接近记录中的真实噪音,最终采用减去法,从记录中减去合成的噪音以达到滤波目的。叠前线性噪音的实际压制应用与分析表明,处理效果较为满意。

... -p变换法、均衡干扰能量法等^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]},其方法基于t-x和f-k域 ...

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孙明, 林君. τ-p变换去除金属矿地震资料中的线性干扰[J]. 物探与化探, 2001, 25(6): 432-436.

Usually there are different sorts of noises in the data obtained from base metal seismic exploration. It's one of our main tasks to eliminate noises effectively and improve signal noise ratio in seismic data processing. F-K filtering proves to be an effective tool, which can eliminate such low velocity noise waves as surface wave and sound wave in flat geological structure, but does not fit the steeply dipping interface. Repeated experiments show that the τ-p method is much better than F-K filtering in linear noise suppression.

Open Lab of Advanced Geophysical Instrumentation, Jilin University, Jilin Univercity, Changchun 130026, china

金属矿地震勘探资料中通常含有多种不同类型的噪声,有效地消除这些噪声,提高地震信号的信噪比是地震数据处理的主要内容之一。二维滤波(F K滤波)是消除低速干扰的一种有效手段,它可以消除视速度较低的面波及其它干扰波,但它只适用于地层倾角较缓的地区。对于复杂条件下的金属矿效果不佳。经过多次实验,用τ-p法压制线性干扰,效果显著。

... -p变换法、均衡干扰能量法等^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]},其方法基于t-x和f-k域 ...

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苑益军, 徐林. 叠前线性干扰自动追踪SVD压制方法[J]. 现代地质, 2007, 21(4): 733-737.

In field seismic data, some heavy relative interference always exist in them. They decrease the SNR of seismic sections and interfere with interpretation. In order to remove relative interference and improve the SNR of seismic data, this paper presents an automatic tracing SVD method to pre-stack removing heavy relative interference. This approach combines automatic-tracing theory with SVD method together. Through tracing relative interference, it uses the small window technique to recover interference signal and obtain effective signal by subtracting noises from the field data. The result shows that the method can eliminate relative interference effectively and enhance the SNR of seismic data.

在原始地震资料中，由于强线性干扰波的存在，导致地震剖面信噪比降低，严重制约了地质资料的解释研究工作。为了消除线性干扰波，提高资料信噪比，提出了利用自动追踪奇异值分解(SVD,singular value decomposition)方法，在叠前消除资料中的线性干扰波。该方法通过自动追踪倾斜线性干扰波，利用小窗口技术恢复线性干扰信号，并进行奇异值分解计算，使原始地震记录与线性干扰信号相减，便可得到反射波有效信号。结合实际资料应用的结果表明，该方法能有效地消除线性干扰信号，达到提高地震资料信噪比的目的。

... -p变换法、均衡干扰能量法等^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]},其方法基于t-x和f-k域 ...

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武克奋. 双向预测法压制线性干扰波和多次波[J]. 石油物探, 2005, 44(5): 458-460.

通常干扰波压制技术是利用有效波与干扰波的频率差异和视速度差异来分离和压制干扰的.利用视速度差异的f-k滤波技术,虽然有很好的压制效果,但当有效波与干扰波的视速度范围有重叠时,二者不能完全分离;此外,由于是多道处理,在压制干扰的同时,也产生了人工噪声,降低了分辨率.双向预测法利用拉冬变换同时预测有效波和干扰波的模型,以约束压制函数的计算,然后在单道记录上压制干扰波,能时变和空变设计滤波器,有很强的信噪分离能力,不会产生人工噪声.理论记录和实际地震数据的处理结果表明,该方法是一种分离和压制干扰波能力很强的高保真压制干扰波方法.

... -p变换法、均衡干扰能量法等^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]},其方法基于t-x和f-k域 ...

... 潜水面和高速层之间的速度界面或波阻抗界面产生了多种类型的地震波,如直达波、深浅层折射波、深浅层多次折射波、多组面波、反射波等^{[8,9,10,11,12,13]} ...

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摘　要：低频线性干扰是在地震采集中普遍存在的一类干扰波,对单炮质量有很大影响。因此压制线性干扰,提高资料质量是十分必要的。本文以春光油田以及泌阳古河道区为实验区,讨论了低频线性干扰的形成机制,研究发现线性干扰的强弱与低降速层厚度存在关系。激发点所在低降速层厚度越大,低频线性干扰越强,也即在野外采集时炮点深度越大,线性干扰越弱。试验结果表明,在野外采集过程中加大炮点深度,使得炮点位于高速层界面以下时,线性干扰的压制效果比较好。

... -p变换法、均衡干扰能量法等^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]},其方法基于t-x和f-k域 ...

... 相干噪声包括线性干扰、交混回响和多次波,陆地地震资料的相干噪声主要有多次折射、线性干扰、面波等^[9,10,11,12] ...

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... 相干噪声包括线性干扰、交混回响和多次波,陆地地震资料的相干噪声主要有多次折射、线性干扰、面波等^[9,10,11,12] ...

... 1 f-k去噪方法存在的问题在黄土塬地震资料处理中,去除线性干扰常用的方法是f-k倾角滤波法,其思路是依据t-x域相干线性同相轴倾角差异,在频率波数f-k域将它们分开,通过f-k滤波从资料中去除那些干扰能量^[10] ...

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... 由于该区资料线性干扰特别发育,影响地震资料的信噪比、分辨率和叠加效果,所以,在地震资料处理中必须要采取有效手段压制线性干扰,为后续地震处理提供较好的叠前道集数据^{[14,15,16,17]} ...

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针对叠前地震数据中的线性干扰噪声,首先分析和识别各组线性干扰波的频带范围及视速度范围,通过分频处理从地震记录中自动分离线性干扰所在频带范围的信号分量,然后采用线性干扰视速度扫描和空间域噪音剔除法迭代求解线性相干噪声.新的线性干扰压制方法与传统方法相比,其优势在于干扰压制较彻底,对有效反射没有明显损害,使地震叠加剖面的质量得到一定的改善.此技术在河南油田的叠前处理中得到了广泛的应用.

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胡天跃. 地震资料叠前去噪技术的现状与未来[J]. 地球物理学进展, 2002, 17(2): 219.

Seismic data prestack noise attenuation is one of the key problems of seismic data processing. However, this problem has not been well solved so far and becomes a barrier of enhancing the resolution of seismic data. Meanwhile, how to efficiently eliminate multiples generated by the multi reflections between subsurface interfaces is the major problem of seismic data prestack noise attenuation. So far, many efforts have been made for the purpose of better attenuating multiples. This paper summarizes some popular and efficient techniques in industry including Radon transform, F K method and Beamforming for multiple attenuation, predictive deconvolution for eliminating water reverberation and K L transform for random noise attenuation.

地震资料叠前去噪是勘探地震资料处理的关键问题之一,但这个问题长期以来一直没有得到很好的解决,是提高地震资料分辨率的一个主要障碍.其中,如何有效地消除产生与地层间的多次反射波又是地震资料叠前去噪的核心问题.为此,人们进行了长期不懈的努力,以更好地消除多次波.本文着重概述现今实际生产中常用的几种比较有效的消除多次波方法,包括拉冬变换、F-K方法和聚束滤波方法;同时也概述了预测反褶积消除水层混响和用K-L变换方法消除随机噪音提高信噪比等方法;最后,还讨论了近年发展的地震资料叠前去噪新方法及其发展趋势.

2011

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... 加减法主要是利用它的这一特点,通过在地震道集上作互相关分析,提取地震资料中相干性好的信号道,将此信号道从原始资料中作加减,得到无损有效反射、相对保幅的信息,使信噪比大幅度提高^[18] ...